一种高韧性混凝土原料选择方法技术

本发明专利技术公开了一种高韧性混凝土原料选择方法，包括胶凝材料选择的步骤；细集料选择的步骤；粗集料选择的步骤；聚合物选择的步骤；纤维选择的步骤；减水剂选择的步骤。本发明专利技术高韧性混凝土原料选择方法利用荷载—位移曲线下包围的面积大小来衡量混凝土的弯曲韧性，聚合物乳液按照一定的聚灰比加入混凝土后，弯曲韧性提升6.5倍以上，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物加入混凝土中，其弯曲韧性提升17.6倍；纤维按照一定体积掺量加入混凝土后，弯曲韧性提升8倍以上，其中端钩型钢纤维0.8％加入混凝土后，其弯曲韧性提升24.1倍；将聚合物和纤维按照一定比例共同掺加混凝土中后，其弯曲韧性较单独加入聚合物和纤维材料又有了较大的提高。

A Method for Selecting Raw Materials of High Toughness Concrete

The invention discloses a method for selecting raw materials of high toughness concrete, including steps for selecting cementitious materials, steps for selecting fine aggregates, steps for selecting coarse aggregates, steps for selecting polymers, steps for selecting fibers and steps for selecting water reducing agents. The high toughness concrete raw material selection method uses the area of the load displacement curve to measure the flexural toughness of the concrete, and the flexural toughness of the polymer emulsion is increased by more than 6.5 times after adding the concrete to a certain proportion of the aggregate cement, and the flexural toughness of the styrene acrylate copolymer is increased by 17.6 times when the concrete is added to the concrete, and the fiber is added according to a certain volume. The flexural toughness of concrete increases by more than 8 times, and the flexural toughness of end-hook steel fiber increases by 24.1 times when 0.8% of end-hook steel fiber is added to concrete. When polymer and fiber are added to concrete in a certain proportion, the flexural toughness of concrete is much higher than that of polymer and fiber materials alone.

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性混凝土原料选择方法
本专利技术涉及材料学
，特别涉及一种混凝土增韧原料的选择方法。
技术介绍
高强度、高刚度、高韧性是土木建筑领域对混凝土材料性能要求的发展趋势，也是满足大型建筑工程对材料抗裂性能和耐久性能的要求。与普通混凝土相比，纤维混凝土在力学性能方面更优越，能显著地提高混凝土的抗拉、抗弯、断裂等性能等，但是纤维与水泥基体间存在界面层，而界面层是复合材料中的薄弱区，如何强化界面层则是钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效应起到关键作用。一般采用加入聚合物和矿物掺合料的方法，有可能使上述界面层由强化，甚至消失，从而进一步提高混凝土的韧性。混凝土细观力学研究结果表明，混凝土材料无论是在静态荷载还是在疲劳荷载作用下，其破坏过程都是裂缝在界面和基体中产生、扩展的过程。混凝土是由硬化水泥浆体、骨料和水泥石与骨料之间的界面过渡区组成的一种非匀质多相材料，其内部存在的气孔和微裂缝等初始缺陷，这些原始缺陷影响着宏观裂缝的产生、扩展过程。裂缝在混凝土中的扩展必然朝着所需耗散能量最小的路径方向进行，扩展路径主要取决于混凝土中初始缺陷的分布状态以及扩展路径上材料的性质，其扩展路径一般有三种情况：一种是沿骨料与水泥基体之间的界面扩展；一种是直接贯穿骨料扩展；一种是在水泥基体中扩展。裂缝在混凝土中的扩展模式影响着混凝土的强度、变形和破坏性能。近年来，X射线混凝土的CT研究已经成为混凝土材料细观破裂过程的热点课题。根据CT基本原理，混凝土各组分物理密度不同，反映在CT图像上各部位的CT数不同，从而形成骨料、砂浆、孔洞等灰度不同的影像图。混凝土试件受力产生细观裂纹后，相应的CT图像部位灰度降低，形成线状或环状影像，称之为CT尺度裂纹，属于基于X射线CT分辨率条件下的细观裂纹，是混凝土CT的主要研究对象。世界上较早修建的高速铁路隧道衬砌结构普遍采用素混凝土结构，随着运营时间推移，隧道衬砌非结构性裂缝不断出现并发展，维修养护工作不断加大，衬砌结构耐久性问题逐渐突出，甚至危及高速列车的运行安全，世界各国都在积极研究试验相应的措施与方法，如德国采用对衬砌混凝土采用单层钢筋网护面结构但钢筋网护面结构造价高、施工困难、工序耗时长.
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供了一种高韧性混凝土原料选择方法，并用该方法制备了适用于高速铁路隧道衬砌结构的高强度、高刚度、高韧性混凝土材料，并满足结构设计、施工要求的混凝土，本专利技术将粉煤灰、聚合物乳液、纤维三种材料在混凝土中单掺或复掺，通过对混凝土流动性能、强度、弯曲韧性、断裂性能的分析，确定出以韧性提升为基础的混凝土的最佳配合比，通过对混凝土断裂路径的分析，建立微观尺度下混凝土韧性的评价方法，并将其应用于高速铁路隧道衬砌结构中。本专利技术的技术方案为：提供了1、一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于，所述高韧性混凝土原料选择方法用于使水泥基材料增韧，其包括以下步骤：胶凝材料选择、细集料选择、粗集料选择、聚合物选择、纤维选择和减水剂选择；所述胶凝材料选择具体为采用武汉华新水泥厂生产的52.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；所述细集料选择具体为细集料选择的步骤为：选用最大粒径为2.2～3.8mm的河砂，细度模数2.2～2.4，连续级配，堆积密度1.2～1.4g/cm3，表观密度2.3～2.7g/cm3；所述粗集料选择具体为选用最大粒径为14.5～15.5mm的玄武岩碎石，表观密度2.6～2.8g/cm3，堆积密度1.4～1.7g/cm3，压碎值4.5～5.5％，含泥量0.6～0.8％，吸水率0.18～0.23％；所述聚合物选择具体为选用下述五种聚合物中的一种或多种：乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物、有机硅丙烯酸酯；所述纤维选择具体为选用下述纤维中的一种或多种：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维、改性聚酯纤维；所述减水剂选择具体为选用减水率21％～24％，流动性要求掺量为0.7％～0.9％的减水剂。优选的，所述聚合物选择的注意事项为：a.选择具有良好的预加工性能和机械稳定性，便于使用的聚合物；且，b.选择对于水泥水化没有负面影响，对水泥水化过程中产生的Ca2+和Al3+离子有较高的稳定性的聚合物；且，c.选择在水泥基体硬化后与水化产物和集料间有较好的黏结能力，且成膜温度低的聚合物；且，d.选择在硬化水泥基体中具有较好的耐水性和耐碱性的聚合物；且e.选择玻璃化温度低，具有一定粘性的聚合物。优选的，所述纤维选择的注意事项为：a.选择强度和弹性模量均高于水泥基体的纤维；且，b.选择与水泥基体间有很好的粘结强度，保证水泥基体承受的应力通过界面传递给其自身的纤维；且，c.选择与水泥基体间的热膨胀系数接近，保证两者间黏结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱的纤维；且，d.选择与水泥基体间不能发生有害的化学反应的纤维；且，e.选择体积率、尺寸和分布适宜，且分散性能良好的纤维。优选的，还包括纤维掺量选择，具体包括以下步骤：步骤一，纤维掺量选择：采用乱向非连续纤维复合材料的纤维临界体积率公式(式2－1)，对纤维掺量进行确定：式中：fmu—纤维混凝土基体极限抗拉强度(MPa)；ffu—纤维的极限抗拉强度(MPa)；εmu—纤维混凝土基体极限抗拉应变；Ef—纤维的弹性模量；步骤二，水胶比选择：采用式(2－2)计算混凝土的水胶比，式中：fce—水泥实际强度；A、B—经验系数；fcu—混凝土设计抗压强度；步骤三，聚合物掺量选择：采用式(2－3)计算聚合物理论用量：式中：Pm0—聚合物理论用量；—材料设计水胶比；—水泥在完全水化时的胶水比；D—聚合物三维体积厚度；S—水化产物单位表面积；ρ—聚合物密度；M0—聚合物在胶凝材料体系中的理论掺量；步骤四，砂率选择：通过拌和物和易性试验确定砂率；步骤五，单位体积用水量和胶凝材料总量选择：通过衬砌部位混凝土的坍落度，以及，无坍落度损失的时间要求，确定单位体积用水量；步骤六，养护制度选择：根据复合材料强度法则(式2－4)，确定养护制度：σ＝σmVm+σPVP(2—4)式中：σ—聚合物水泥基复合材料强度；σm、Vm—水泥砂浆的强度、体积；σP、VP—聚合物的强度、体积。优选的，还包括弯曲韧性测试，包括：采用100×100×400mm棱柱体试件，采用四点加载方式，跨距为300mm，试验设备为深圳新三思公司生产的电液伺服万能电子试验机，采用位移加载，加载速率为0.05mm/s，试验记录弯曲荷载作用下混凝土荷载—位移曲线，当荷载达到极限荷载的10％时停止测试。优选的，还包括断裂性能测试，采用平面应变断裂韧性KIC、断裂能GF、临界裂纹尖端张开位移δ0来表征；断裂韧性KIC、断裂能GF分别按照式(2－5)和(2－6)所示进行测算，式中：t、h、l、a0-混凝土试件的几何尺寸；W0-荷载—挠度曲线下的面积；m＝m1+2m2，其中m1-支点间的梁重，m2-加荷附件重量；δ0-梁断裂时测得的最大挠度值；P-加载时混凝土试件承受的最大荷载(KN)。优选的，还包括混凝土断裂路径与韧性的微观评价：采用裂缝临界扩展应力、断裂面粗糙度进行表征；所述裂缝临界扩展应力表示为：Gcrit＝2γsε2-D(2－8)式中：ε—标度因子；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于，所述高韧性混凝土原料选择方法用于使水泥基材料增韧，其包括以下步骤：胶凝材料选择、细集料选择、粗集料选择、聚合物选择、纤维选择和减水剂选择；所述胶凝材料选择具体为采用武汉华新水泥厂生产的52.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；所述细集料选择具体为细集料选择的步骤为：选用最大粒径为2.2～3.8mm的河砂，细度模数2.2～2.4，连续级配，堆积密度1.2～1.4g/cm3，表观密度2.3～2.7g/cm3；所述粗集料选择具体为选用最大粒径为14.5～15.5mm的玄武岩碎石，表观密度2.6～2.8g/cm3，堆积密度1.4～1.7g/cm3，压碎值4.5～5.5％，含泥量0.6～0.8％，吸水率0.18～0.23％；所述聚合物选择具体为选用下述五种聚合物中的一种或多种：乙烯‑醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯‑丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯‑丙烯酸酯聚合物、有机硅丙烯酸酯；所述纤维选择具体为选用下述纤维中的一种或多种：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维、改性聚酯纤维；所述减水剂选择具体为选用减水率21％～24％，流动性要求掺量为0.7％～0.9％的减水剂。...

【技术特征摘要】
1.一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于，所述高韧性混凝土原料选择方法用于使水泥基材料增韧，其包括以下步骤：胶凝材料选择、细集料选择、粗集料选择、聚合物选择、纤维选择和减水剂选择；所述胶凝材料选择具体为采用武汉华新水泥厂生产的52.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；所述细集料选择具体为细集料选择的步骤为：选用最大粒径为2.2～3.8mm的河砂，细度模数2.2～2.4，连续级配，堆积密度1.2～1.4g/cm3，表观密度2.3～2.7g/cm3；所述粗集料选择具体为选用最大粒径为14.5～15.5mm的玄武岩碎石，表观密度2.6～2.8g/cm3，堆积密度1.4～1.7g/cm3，压碎值4.5～5.5％，含泥量0.6～0.8％，吸水率0.18～0.23％；所述聚合物选择具体为选用下述五种聚合物中的一种或多种：乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物、有机硅丙烯酸酯；所述纤维选择具体为选用下述纤维中的一种或多种：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维、改性聚酯纤维；所述减水剂选择具体为选用减水率21％～24％，流动性要求掺量为0.7％～0.9％的减水剂。2.如权利要求1所述的一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于：所述聚合物选择的注意事项为：a.选择具有良好的预加工性能和机械稳定性，便于使用的聚合物；且，b.选择对于水泥水化没有负面影响，对水泥水化过程中产生的Ca2+和Al3+离子有较高的稳定性的聚合物；且，c.选择在水泥基体硬化后与水化产物和集料间有较好的黏结能力，且成膜温度低的聚合物；且，d.选择在硬化水泥基体中具有较好的耐水性和耐碱性的聚合物；且e.选择玻璃化温度低，具有一定粘性的聚合物。3.如权利要求1所述的一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于：所述纤维选择的注意事项为：a.选择强度和弹性模量均高于水泥基体的纤维；且，b.选择与水泥基体间有很好的粘结强度，保证水泥基体承受的应力通过界面传递给其自身的纤维；且，c.选择与水泥基体间的热膨胀系数接近，保证两者间黏结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱的纤维；且，d.选择与水泥基体间不能发生有害的化学反应的纤维；且，e.选择体积率、尺寸和分布适宜，且分散性能良好的纤维。4.如权利要求1所述的一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于：还包括纤维掺量选择，具体包括以下步骤：步骤一，纤维掺量选择：采用乱向非...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹擎宇，胡一文，王志文，郝挺宇，常正非，王罡，郝彬，
申请(专利权)人：中冶建筑研究总院深圳有限公司，中冶建筑研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44